DE102012223530A1 - Monitoring circuit for measuring e.g. temperature of battery module in lithium ion battery of motor car, has series arrangement formed from resistor and switching unit, where ends of arrangement are electrically connected with terminal - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Überwachungsschaltung für ein Batteriemodul, welche mit einem Bussystem verbindbar ist und welche einen steuerbaren Leitungsabschlusswiderstand für die Terminierung der Bus-Leitungen des Bussystems aufweist sowie ein Überwachungssystem mit erfindungsgemäßen Überwachungsschaltungen und ein Verfahren zur Durchführung der Leitungsterminierung bei der Initialisierung des Überwachungssystems.The present invention relates to a monitoring circuit for a battery module, which is connectable to a bus system and which has a controllable line termination resistor for the termination of the bus lines of the bus system and a monitoring system with monitoring circuits according to the invention and a method for performing the line termination in the initialization of the monitoring system.
Stand der TechnikState of the art
In einem Batteriemanagementsystem des Standes der Technik für das Management der Batterie eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs müssen auf Basis gegenwärtiger Sicherheitskonzepte die Einzelzellspannungen und/oder die Temperaturen von Batteriemodulen beziehungsweise Batteriezellen gemessen und überwacht werden. Nach dem Stand der Technik geschieht dies für jede Batteriezelle gesondert, wobei je Batteriemodul eine Überwachungsschaltung beziehungsweise eine Zellüberwachungselektronik (CSC – Cell Sense Circuit) integriert wird. Diese Überwachungsschaltungen werden je nach Einbausituation und Granularität des Batteriepacks beziehungsweise der Batterie entsprechend modular bzw. skalierbar aufgebaut. Jede der Überwachungsschaltungen muss in der Lage sein, mit einem zentralen (Batterie-)Steuergerät (BCU – Batterie Control Unit) zu kommunizieren. Das hierzu benötigte Bussystem beziehungsweise der Kommunikationsbus kann dabei nach dem Stand der Technik unterschiedlich ausgeführt sein. In Automobilanwendungen hat sich beispielsweise der CAN-Bus (CAN – Controller Area Network) etabliert.In a battery management system of the prior art for the management of the battery of an electric or hybrid vehicle, the individual cell voltages and / or the temperatures of battery modules or battery cells must be measured and monitored based on current safety concepts. According to the prior art, this is done separately for each battery cell, wherein a monitoring circuit or cell monitoring electronics (CSC - Cell Sense Circuit) is integrated per battery module. These monitoring circuits are constructed according to the installation situation and granularity of the battery pack or the battery according to modular or scalable. Each of the monitoring circuits must be able to communicate with a central (battery) control unit (BCU). The bus system or the communication bus required for this purpose can be designed differently according to the prior art. In automotive applications, for example, the CAN bus (CAN - Controller Area Network) has become established.
Bei dem CAN-Bus handelt es sich um ein herstellerübergreifendes und nach
Der CAN-Bus sowie die meisten Bussysteme des Standes der Technik müssen an den Enden ihrer Bus-Leitungen mit einem Wellenwiderstand beziehungsweise einem Leitungsabschlusswiderstand abgeschlossen beziehungsweise terminiert werden, um sogenannte Reflexionen des hinlaufenden Signals an den Enden des Bussystems zu vermeiden. Bei einer falsch abgeschlossenen Bus-Leitung würde das Signal die Leitung wieder zurücklaufen und sich mit weiteren Signalen überlagern. Der Leitungsabschluss beziehungsweise der Leitungsabschlusswiderstand jeweils innerhalb der Überwachungsschaltungen ist nach dem Stand der Technik in die Enden der Bus-Leitungen des Bussystems fest eingelötet. In anderen Ausführungen des Standes der Technik bieten die Überwachungsschaltungen an den Enden der Bus-Leitungen eine entsprechende Bestückungsoption für Leitungsabschlusswiderstände.The CAN bus as well as most bus systems of the prior art must be terminated or terminated at the ends of their bus lines with a characteristic impedance or a line terminating resistor in order to avoid so-called reflections of the incoming signal at the ends of the bus system. If the bus line was incorrectly terminated, the signal would return to the line and interfere with other signals. The line termination or the line terminating resistor in each case within the monitoring circuits is firmly soldered according to the prior art in the ends of the bus lines of the bus system. In other embodiments of the prior art, the monitoring circuits at the ends of the bus lines provide a corresponding line termination resistor placement option.
Letzteres hat den Nachteil, dass nicht mehr alle Batteriemodule als sogenannte Gleichteile behandelt werden können (Variantenvielfalt). Alternativ besteht die Möglichkeit, den Leitungsabschluss über eine elektronische oder mechanische Codierung zu realisieren. Beide dieser Alternativen bewirken jedoch ebenfalls, dass ein Batteriemodul bei der Systemintegration nicht mehr als Gleichteil behandelt werden kann, da sich entweder die Hardware oder aber die Software derart ausgestalteter Batteriemodule untereinander unterscheiden. Auch die Wartungsfreundlichkeit solcher Systeme ist eher gering.The latter has the disadvantage that not all battery modules can be treated as so-called equal parts (variant variety). Alternatively, it is possible to realize the line termination via an electronic or mechanical coding. However, both of these alternatives also have the effect that a battery module can no longer be treated as a common part during system integration, since either the hardware or the software of battery modules designed in this way differ from each other. The ease of maintenance of such systems is rather low.
Die Adressierung der Überwachungsschaltungen, die mit einem Bussystem des Standes der Technik verbunden sind, wird durch ein Adressierungsverfahren im Rahmen des gesteuerten Hochlaufens der Baugruppen sichergestellt. Dabei bekommen eine positionsgleiche Überwachungsschaltung beziehungsweise der von dieser zu überwachende Batteriezellblock die gleiche eindeutige Identifikationsnummer zugewiesen. Die Steuerung des Adressierungsverfahrens erfolgt dabei meist durch das zentrale Steuergerät, welches über eine Hardware-Leitung mit den Steuerungselektroniken der Überwachungsschaltungen kommuniziert. Zur Ausführung des Adressierungsverfahrens wird zunächst ein Aktivierungssignal von dem zentralen Steuergerät an die Steuerungselektronik der ersten Überwachungsschaltung übermittelt. Über diese Steuerungselektronik wird dann die Initialisierung sowie die Vergabe der eindeutigen Identifikationsnummer an die erste Überwachungsschaltung durchgeführt. Nach Abschluss der Adressierung der ersten Überwachungsschaltung wird das Aktivierungssignal von dieser an die Steuerungselektronik einer weiteren Überwachungsschaltung weitergeleitet und die Adressierung derselben vorgenommen. Das Adressierungsverfahren ist abgeschlossen, sobald alle zu aktivierenden Überwachungsschaltungen das Aktivierungssignal empfangen sowie eine eindeutige Identifikationsnummer zugewiesen bekommen haben.The addressing of the monitoring circuits, which are connected to a bus system of the prior art, is ensured by an addressing method in the context of the controlled run-up of the modules. In this case, a position-equal monitoring circuit or the battery cell block to be monitored by the latter are assigned the same unique identification number. The control of the addressing process is usually carried out by the central control unit, which communicates via a hardware line with the control electronics of the monitoring circuits. To execute the addressing method, an activation signal is first transmitted from the central control unit to the control electronics of the first monitoring circuit. The initialization and the assignment of the unique identification number to the first monitoring circuit are then carried out via this control electronics. After completion of the addressing of the first monitoring circuit, the activation signal is forwarded by the latter to the control electronics of a further monitoring circuit and the addressing thereof is carried out. The addressing procedure is completed as soon as all monitoring circuits to be activated activate the activation signal received and assigned a unique identification number.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Erfindungsgemäß wird eine Überwachungsschaltung für ein Batteriemodul zur Verfügung gestellt, welche zwei Anschlüsse für die Verbindung mit den Bus-Leitungen eines Bussystems umfasst. Ferner umfasst die Überwachungsschaltung eine Transceiver-Schaltung, welche mit den zwei Anschlüssen verbunden und dazu ausgebildet ist, auf den Empfang eines logischen Signals mit einer entsprechenden Veränderung der Potenziale an den Anschlüssen zu reagieren. Des Weiteren weist die Überwachungsschaltung eine Steuerungselektronik auf, welche dazu ausgebildet ist, mit externen Steuereinheiten sowie der Transceiver-Schaltung zu kommunizieren, wobei die Überwachungsschaltung mit mindestens einer Batteriezelle eines Batteriemoduls verbindbar und dazu ausgebildet ist, die Temperatur und/oder die Spannung mindestens einer mit ihr verbundenen Batteriezelle zu messen. According to the invention, a monitoring circuit for a battery module is provided, which comprises two connections for the connection to the bus lines of a bus system. Furthermore, the monitoring circuit comprises a transceiver circuit, which is connected to the two terminals and adapted to respond to the reception of a logical signal with a corresponding change in the potentials at the terminals. Furthermore, the monitoring circuit has an electronic control unit, which is designed to communicate with external control units and the transceiver circuit, wherein the monitoring circuit with at least one battery cell of a battery module is connectable and adapted to the temperature and / or the voltage of at least one to measure their connected battery cell.
Erfindungsgemäß weist die Überwachungsschaltung eine Reihenschaltung aus einem Leitungsabschlusswiderstand sowie einem Schaltmittel auf, wobei die Enden der Reihenschaltung jeweils mit einem der beiden Anschlüsse elektrisch verbunden sind.According to the invention, the monitoring circuit has a series connection of a line terminating resistor and a switching means, wherein the ends of the series circuit are each electrically connected to one of the two terminals.
Durch eine derart ausgestaltete Überwachungsschaltung ist es möglich, eine Terminierung eines Bussystems innerhalb der Überwachungsschaltung durch das Hinzuschalten des Leitungsabschlusswiderstandes wahlweise vorzunehmen. Wird ein Bussystem beziehungsweise ein Überwachungssystem mit erfindungsgemäßen Überwachungsschaltungen realisiert, wird ein speziell angefertigter Kabelbaum mit eingelöteten Leitungsabschlusswiderständen nicht mehr benötigt. Auch können dann alle Überwachungsschaltungen beziehungsweise Batteriemodule sowohl bezüglich der Hardware- als auch der Software-Komponenten als Gleichteile produziert werden. Dadurch werden die Wartbarkeit als auch die Inbetriebnahme solcher Überwachungssysteme stark vereinfacht. Des Weiteren sind die Bus-Leitungen des Bussystems während der Hochlaufphase stets optimal am aktiven Ende der Bus-Leitungen abgeschlossen, wodurch eine Verbesserung bezüglich der Störeinstrahlung des Bussystems erreicht wird.By means of such a monitoring circuit configured, it is possible to make a termination of a bus system within the monitoring circuit by the addition of the line termination resistor optional. If a bus system or a monitoring system realized with monitoring circuits according to the invention, a specially made harness with soldered line terminating resistors is no longer needed. In addition, all monitoring circuits or battery modules can then be produced as equal parts with regard to both the hardware and the software components. As a result, the maintainability and the commissioning of such monitoring systems are greatly simplified. Furthermore, the bus lines of the bus system are always optimally completed during the startup phase at the active end of the bus lines, whereby an improvement in the interference of the bus system is achieved.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Schaltmittel über die Steuerungselektronik ansteuerbar. Dadurch ist das Schaltmittel also von einer Elektronik ansteuerbar, welche sich innerhalb der Überwachungsschaltung befindet und muss nicht durch eine externe Komponente angesteuert werden.In a preferred embodiment, the switching means via the control electronics can be controlled. As a result, the switching means is thus controlled by an electronic unit which is located within the monitoring circuit and does not have to be controlled by an external component.
Vorzugsweise ist die Steuerungselektronik dazu ausgelegt, die Aktivierung der Überwachungsschaltung und/oder das Schließen des Schaltmittels bei Empfang eines Steuersignals zu veranlassen. Dadurch wird erreicht, dass die Bus-Leitungen, beispielsweise während des Adressierungsverfahrens, genau dann innerhalb der Überwachungsschaltungen terminiert sind, wenn dies erforderlich ist. Preferably, the control electronics is adapted to cause the activation of the monitoring circuit and / or the closing of the switching means upon receipt of a control signal. This ensures that the bus lines, for example, during the addressing process, are terminated within the monitoring circuits, if necessary.
Bevorzugt ist die Reihenschaltung innerhalb der Transceiver-Schaltung angeordnet. Dadurch kann der Leitungsabschlusswiderstand als Komponente mitsamt der Transceiver-Schaltung produziert und auch samt dieser im Schadensfall ausgetauscht werden, wodurch Kosten eingespart werden können. Preferably, the series connection is arranged within the transceiver circuit. As a result, the line terminating resistor can be produced as a component together with the transceiver circuit and can also be replaced together with it in the event of damage, which can save costs.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Schaltmittel als MOSFET ausgeführt, welcher im Low-Side-Betrieb arbeitet. Da der MOSFET mit seinem Source-Anschluss an die Bus-Leitung des Bussystems mit dem niedrigen Potenzial und seinem Drain-Anschluss über einem Abschlusswiderstand an die andere Busleitung mit dem höheren Potenzial angeschlossen ist, arbeitet der MOSFET im Low-Side-Betrieb. MOSFETs sind kostengünstig und sehr kompakt, das heißt in einer hohen Integrationsdichte realisierbar. Ferner weisen MOSFETs eine schnelle Schaltzeit sowie stabile Verstärkungs- und Antwortzeiten auf.In a preferred embodiment, the switching means is designed as a MOSFET, which operates in low-side operation. Since the MOSFET with its source terminal connected to the bus line of the low potential bus system and its drain terminal connected via a termination resistor to the other higher potential bus line, the MOSFET operates in low side operation. MOSFETs are inexpensive and very compact, that is, in a high integration density feasible. Furthermore, MOSFETs have fast switching time as well as stable amplification and response times.
Ferner wird ein Überwachungssystem bereitgestellt, welches ein zentrales Steuergerät umfasst, das mit den beiden Bus-Leitungen eines Bussystems verbunden ist und mindestens zwei erfindungsgemäße Überwachungsschaltungen umfasst, die jeweils über ihre zwei Anschlüsse mit den beiden Bus-Leitungen des Bussystems verbunden sind. Das Überwachungssystem weist ferner eine Hardware-Leitung auf, über welche die Steuerungselektroniken der mindestens zwei Überwachungsschaltungen miteinander und mit dem zentralen Steuergerät verbunden sind. Furthermore, a monitoring system is provided which comprises a central control unit which is connected to the two bus lines of a bus system and comprises at least two monitoring circuits according to the invention, which are each connected via their two terminals to the two bus lines of the bus system. The monitoring system further comprises a hardware line via which the control electronics of the at least two monitoring circuits are connected to each other and to the central control unit.
In einer bevorzugten Weiterentwicklung dieser Ausführungsform ist das zentrale Steuergerät als Batteriemanagementsystem ausgeführt und umfasst alternativ oder ergänzend eine Transceiver-Schaltung und alternativ oder ergänzend einen Leitungsabschlusswiderstand, über welchen das zentrale Steuergerät mit den Bus-Leitungen des Bussystems verbunden ist. Dadurch ist das Bussystem auch eingangsseitig über das zentrale Steuergerät durch einen Leitungsabschlusswiderstand terminiert. In a preferred further development of this embodiment, the central control unit is embodied as a battery management system and alternatively or additionally comprises a transceiver circuit and, alternatively or additionally, a line termination resistor, via which the central control unit is connected to the bus lines of the bus system. As a result, the bus system is also terminated on the input side via the central control unit by a line terminating resistor.
Des Weiteren wird ein Verfahren zur Initialisierung eines Überwachungssystems zur Verfügung gestellt, welches ein erfindungsgemäßes Überwachungssystem umfasst. Das Verfahren umfasst die folgenden Verfahrensschritte: Aktivieren einer ersten der mindestens zwei Überwachungsschaltungen über ein über die Hardware-Leitung übermitteltes Aktivierungssignal durch das zentrale Steuergerät, Schließen des Schaltmittels der aktivierten Überwachungsschaltung durch die Steuerungselektronik der aktivierten Überwachungsschaltung, Aufbauen einer Kommunikation zwischen der Steuerungselektronik der aktivierten Überwachungsschaltung und dem zentralen Steuergerät. Vergabe einer eindeutigen Identifikationsnummer an die aktivierte Überwachungsschaltung durch das zentrale Steuergerät, Öffnen des Schaltmittels der aktivierten Überwachungsschaltung durch die Steuerungselektronik der aktivierten Überwachungsschaltung, Übermitteln eines Aktivierungssignals über die Hardware-Leitung von der Steuerungselektronik der aktivierten Überwachungsschaltung an die Steuerungselektronik einer weiteren deaktivierten Überwachungsschaltung, erneutes Beginnen des Verfahrens mit dem Schritt des Schließens des Schaltmittels der weiteren Überwachungsschaltung. Durch ein solches Verfahren ist es möglich, eine optimierte Adressierung der Überwachungsschaltungen eines Überwachungssystems vorzunehmen. Da bei jeder Vergabe einer eindeutigen Identifikationsnummer an jeweils eine der Überwachungsschaltungen eine zeitgleiche Terminierung der Bus-Leitungen des Bussystems innerhalb der jeweiligen Überwachungsschaltung vorgenommen werden kann, verbessert sich die Störfestigkeit des Bussystems während des Adressierungsverfahrens. Furthermore, a method for initializing a monitoring system is provided which comprises a monitoring system according to the invention. The method comprises the following method steps: activating a first of the at least two Monitoring circuits via a transmitted via the hardware line activation signal by the central control unit, closing the switching means of the activated monitoring circuit by the control electronics of the activated monitoring circuit, establishing a communication between the control electronics of the activated monitoring circuit and the central control unit. Assigning a unique identification number to the activated monitoring circuit by the central control unit, opening the switching means of the activated monitoring circuit by the control electronics of the activated monitoring circuit, transmitting an activation signal via the hardware line from the control electronics of the activated monitoring circuit to the control electronics of another deactivated monitoring circuit, restarting the method comprising the step of closing the switching means of the further monitoring circuit. Such a method makes it possible to carry out an optimized addressing of the monitoring circuits of a monitoring system. Since with each assignment of a unique identification number to one of the monitoring circuits, a simultaneous termination of the bus lines of the bus system within the respective monitoring circuit can be made, the immunity of the bus system improves during the addressing process.
In einer bevorzugten Weiterentwicklung des obigen Verfahrens zur Initialisierung eines Überwachungssystems umfasst das Verfahren ferner den Schritt des Beendens des Verfahrens, sobald alle Überwachungsschaltungen des Überwachungssystems aktiviert sind. Damit ist eine sinnvolle Endbedingung für das Verfahren definiert.In a preferred further development of the above method for initializing a monitoring system, the method further comprises the step of terminating the method as soon as all monitoring circuits of the monitoring system are activated. This defines a meaningful end condition for the procedure.
In einer bevorzugten Weiterentwicklung dieses oder des vorhergehenden Verfahrens zur Initialisierung eines Überwachungssystems wird das Verfahren von dem zentralen Steuergerät gesteuert. In a preferred further development of this or of the preceding method for initializing a monitoring system, the method is controlled by the central control unit.
Ferner wird eine Batterie mit einem erfindungsgemäßen Überwachungssystem bereitgestellt, wobei die Batterie besonders bevorzugt als eine Lithium-Ionen-Batterie ausgeführt ist. Vorteile solcher Batterien sind unter anderem in ihrer vergleichsweise hohen Energiedichte sowie ihrer großen thermischen Stabilität gegeben. Ein weiterer Vorteil von Lithium-Ionen-Batterien ist, dass diese keinem Memory Effekt unterliegen.Further, a battery is provided with a monitoring system according to the invention, wherein the battery is particularly preferably designed as a lithium-ion battery. Advantages of such batteries include their comparatively high energy density and their high thermal stability. Another advantage of lithium-ion batteries is that they are not subject to memory effect.
Des Weiteren wird ein Kraftfahrzeug mit einer Batterie mit einem erfindungsgemäßen Überwachungssystem bereitgestellt, wobei die Batterie mit einem Antriebssystem des Kraftfahrzeugs verbunden ist.Furthermore, a motor vehicle with a battery is provided with a monitoring system according to the invention, wherein the battery is connected to a drive system of the motor vehicle.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.Advantageous developments of the invention are specified in the subclaims and described in the description.
Zeichnungendrawings
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:Embodiments of the invention will be explained in more detail with reference to the drawings and the description below. Show it:
Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention
In der
Ferner weist die Überwachungsschaltung
Die Überwachungsschaltung
Die Überwachungsschaltung
In diesem Ausführungsbeispiel ist das Schaltmittel
Die
Die
Ferner weist das Überwachungssystem
Für eine Initialisierung des erfindungsgemäßen Überwachungssystems
Ein erfindungsgemäßes Überwachungssystem
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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